一种铸坯定向凝固和区域选择冷却的组合式水冷铸模的制作方法

本发明属于冶金铸造技术领域，尤其涉及一种铸坯定向凝固和区域选择冷却的组合式水冷铸模。

背景技术：

有色及黑色金属的近终成形连铸坯，由于其生产效率、成材率、产品质量、自动化程度及节能减排等方面的优势得到迅猛发展，近几年整合铸造与轧制工艺于一体的双辊铸轧技术尤为典型代表，而连铸比随之成为衡量各国连铸技术水平和连铸装备制造能力的指标之一。冶金大环境下形成各国重连铸轻模铸的趋势，模铸研究和应用比重小，设计能力和系统创新缺乏。但连铸还不能满足核电、高铁、军工等领域特厚铸坯的特殊需求，例如ITER核辐射屏蔽块及托卡马克冷却壁、核电汽轮机转子、航母甲板钢、高温高压容器钢及高层建筑防震厚板钢，仍依靠具有大锻造比、大单重、小批多样特点的模铸。

由于对大单重铸坯超声探伤、偏析程度、晶粒度、力学性能及均匀性要求的提高，单重50t以上铸锻件已出现生产难题。普遍存在凝固组织致密性较低，中心疏松缩孔密集、探伤合格率低等亟待解决的问题。究其原因是重量增加，截面尺寸相应增大，冷却强度和凝固速率降低，中心晶粒粗大，组织疏松，并在高度方向上V型补缩通道变窄，补缩距离变大，夹杂物不易上浮，且肩部组织倒V偏析，上部缩孔严重。

实现铸坯底部先凝固，冒口后凝固的自下而上的定向凝固难点在于加强底部冷却，侧壁保温和冒口发热，旨在高度方向建立一维大梯度温度场。侧壁保温有利于建立一维大梯度温度场，但该条件下合金液凝固速率降低很多，停留在固液两相区时间长，枝晶有充足时间长大，液相被主枝晶臂分割封闭，且主枝晶和二次枝晶臂相互搭接成狭小空间，得不到液相补充，形成密集缩松甚至发生微观偏析。而对于锭型高度大于平均直径锭型，底部水冷却能力有限，当下部已凝铸坯的热阻大于模壁热阻，水平温度梯度增大并超过垂直温度梯度，中上部钢水在水平方向的热流密度开始大于竖直方向热流密度，这种二维传热模式不利于定向凝固。中国专利公布号CN 201168769 Y公开了一种定向凝固水冷锭模，整个侧壁缠绕布置冷却水管，并配合水冷底盘加快冷却速度，柱状晶在垂直模壁和底盘二维方向凝固。该凝固模式下柱状晶相向生长并在铸锭中心搭接，缩孔缩松主要集中在铸锭中心。一维定向凝固的缩孔缩松主要集中在冒口内，这与自底向上的一维定向凝固完全不同。日本专利昭60-33852公开了水冷底盘和四周水冷动模整体冷却并补偿气隙的扁锭模铸工艺，该发明冷却强度和均匀性比自然冷却大幅提高，得到致密的扁坯。但单独提高冷却强度只能提高冷却强度，定向凝固有可能终止，不能完全提高铸坯内部质量。中国专利公布号CN 102161079 A公开了一种水冷底盘和四周水冷动模组合式铸模，并采用大压下技术消除气隙，并有效改善和消除宽厚板坯中心缩松、偏析和缩孔，但对圆坯无法借助周围动模和大压下技术设计铸模。

提高冷却强度和侧壁保温是相互对立的，目前还没有经验和设计把两者统一起来，所以有必要设计出在快速强制冷却条件下实现圆坯的自下而上定向凝固，最终得到致密的结构组织和优异性能的合金材料。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种能够实现定向凝固、并提高冷却强度的组合式水冷铸模。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种铸坯定向凝固和区域选择冷却的组合式水冷铸模，包括底盘、设于所述底盘上的铸模本体及设于所述铸模本体上的热补缩冒口，其特殊之处在于，所述底盘包括下底盘及上底盘，所述上底盘内设有冷却空腔，所述上底盘上设有与所述冷却空腔相连通的进水口及出水口；

所述铸模本体外围为直筒结构，内为倒置圆台结构，包括上半部和下半部，所述上半部的外围设有中空保温层，所述下半部的外围设有多道相互独立的冷却水道；

所述热补缩冒口呈环台结构，所述环台的大直径端扣接在所述铸模本体的上端，便于扣接对中本体上端设置凸台止口。

本发明的有益效果是：

1、本发明的铸模实现铸坯自下而上强制冷却和定向凝固，避免垂直模壁和无方向性生长的柱状晶过度发达而使其垂直底盘生长，消除了中心缩松、V型偏析问题，得到晶粒细化、超声检测晶粒均匀、凝固组织致密均匀无缺陷的大单重铸锻坯，超声波探伤合格率提高。

2、本发明打破常规锭模设计理念，铸模本体上半部为中空保温结构，铸模本体下半部的冷却水道和底盘水冷，可对铸模不同区域分段选择性冷却，兼顾建立一维温度场和高冷却强度，铸坯显热及潜热90％以上自底盘传导，实现定向凝固。

3、本发明使用热补缩冒口，内部设有的熔融玻璃层、发热剂层和覆盖层，使得缩孔区主要集中在热补缩冒口部分，提高了热补缩冒口内的实心高度，减少铸坯切头切尾占比。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述上底盘为铍钴铜或紫铜材质，在所述冷却空腔内设有相互交错的阻流板。

采用上述进一步方案的有益效果是，铍钴铜或紫铜材质能够降低热集中区温度，快速均匀冷却铸坯，热传导性比模具钢优越3～4倍；阻流板能够增加换热面积，提高水速和对流换热系数，使合金液释放的绝大部分热量通过底盘传导。

进一步，所述热补缩冒口外壳为铸铁，内层由耐火砖砌筑而成，内部至下而上依次设有熔融玻璃层、发热剂层和覆盖层。

采用上述进一步方案的有益效果是，发热剂燃烧将热补缩冒口内合金液加热，减小热补缩冒口与合金液间的温度梯度，延缓该部分合金液凝固时间，提供补缩通道畅通和足够的补缩合金液；发热剂氧化放热使冒容合金液凝固时间比铸坯凝固时间稍长，发热剂燃烧最高温度大于合金液液相线温度；熔融玻璃层能有效阻隔发热剂成分污染合金液，有效吸附热补缩冒口中上浮杂质，并使合金液与大气隔绝；覆盖层为煅烧红木炭，起保温和阻止大气中O₂、N₂、H₂等进入合金液的作用；借助热补缩冒口的发热剂的氧化放热作用，冒容合金液凝固时间大于铸坯凝固时间，冒容合金液最后凝固，提供凝固补缩液。

进一步，所述熔融玻璃层由80wt％钠硅钙玻璃和20wt％硼酸酐组成。

进一步，所述熔融玻璃层的厚度为10-20mm，或控制用量为每吨铸锭加入1-1.2kg熔融玻璃。

进一步，所述发热剂层由铝粉、氧化剂和粘结剂组成。

更进一步，所述发热剂层包括10-15wt％铝粉、10-15wt％Al₂O₃、10-15wt％C、20-30wt％Fe₂O₃、5wt％NaNO₃、5wt％KNO₃及余量的水玻璃和黏土，用量为每吨铸锭加入1-2kg。。

进一步，所述覆盖层为煅烧红木炭。

采用上述进一步方案的有益效果是，起到保温和阻止大气中O₂、N₂、H₂等进入合金液的作用。

进一步，所述的中空保温层内填充有锆陶瓷板和石棉毡；所述铸模本体下半部的外围设有三道相互独立的冷却水道，包括第一侧壁水道、第二侧壁水道和第三侧壁水道。

采用上述进一步方案的有益效果是，中空保温层能够延长铸模本体上半部和热补缩冒口内合金液的凝固时间；多道侧壁水冷兼顾提高冷却强度和定向凝固的双重作用；当铸坯下半部分凝固以后，上底盘的水冷作用逐渐不明显，不能对铸坯上半部未凝部分起到强制冷却作用，传热模式由一维传热渐变为二维传热，竖直方向的温度梯度逐渐减小，不再继续满足定向凝固条件。随凝固前沿上移，打开冷却水道阀门，采取先分段供水、后全段供水的方式。第一侧壁水道以下合金液凝固以后，打开第一侧壁水道的阀门，由自然冷却改为强制冷却，其高度以上合金液继续在高强度冷却下实现定向凝固；随凝固前沿上移逐步移至第二侧壁水道以上，之后打开第二侧壁水道的阀门,待冒容合金液凝固时，打开第三侧壁水道的阀门。合金液未凝部分的传热传质始终为向凝固模式，且下半部完成凝固后，侧壁水冷不再改变其凝固组织形貌。该情况下侧壁水冷起到与水冷铜底盘同样的传热作用。铸坯水冷铜底盘和侧壁水冷提高冷却强度作用下，铸坯中粗大枝晶得到抑制，减少微观偏析、并细化晶粒。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为为上底盘的结构示意图；

图3为双色红外测量热补缩冒口外壁和铸模本体下半部外壁的温度变化曲线；

图4为自然冷却NARloy-Z晶粒均匀度超声检测结果；

图5为本发明实施例1中NARloy-Z晶粒均匀度超声检测结果；

图6为自然冷却Cu-Cr-Zr晶粒均匀度超声检测结果；

图7为本发明实施例2中Cu-Cr-Zr晶粒均匀度超声检测结果；

图中，1、上底盘；2、下底盘；3、铸模本体；4、冷却空腔；5、进水口；6、出水口；7、热补缩冒口；8、中空保温层；9、阻流板；10、耐火砖；11、熔融玻璃层；12、发热剂层；13、覆盖层；14、第一侧壁水道；15、第二侧壁水道；16、第三侧壁水道；17、铸锭。

具体实施方式

以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一种铸坯定向凝固和区域选择冷却的组合式水冷铸模，包括底盘、设于所述底盘上的铸模本体3及设于所述铸模本体上的热补缩冒口7，其特殊之处在于，所述底盘包括下底盘2及上底盘1，所述上底盘内设有冷却空腔4，所述上底盘上设有与所述冷却空腔相连通的进水口5及出水口6；

所述铸模本体外围为直筒结构，内为倒置圆台结构，包括上半部和下半部，所述上半部的外围设有中空保温层8，所述下半部的外围设有三道相互独立的冷却水道，包括第一侧壁水道14、第二侧壁水道15和第三侧壁水道16；

所述热补缩冒口呈环台结构，所述环台的大直径端扣接在所述铸模本体的上端，所述热补缩冒口外壳为铸铁，内层由耐火砖10砌筑而成，内部至下而上依次设有熔融玻璃层11、发热剂层12和覆盖层13；

所述上底盘为铍钴铜或紫铜材质，在所述冷却空腔内设有相互交错的阻流板9；

所述熔融玻璃层由80wt％钠硅钙玻璃和20wt％硼酸酐组成；

所述发热剂层包括10-15wt％铝粉、10-15wt％Al₂O₃、10-15wt％C、20-30wt％Fe₂O₃、5wt％NaNO₃、5wt％KNO₃及余量的水玻璃和黏土，用量为每吨铸锭加入1-2kg；

所述覆盖层为煅烧红木炭；

所述的中空保温层内填充有锆陶瓷板和石棉毡。

如图3所示，由于使用发热剂，热补缩冒口在较长一段时间内温度几乎保持不变，可以保证内部合金液最后凝固；铸模本体下半部外壁由于合金液显热和潜热被铸模吸收，温度先升高，经过较短时间达到峰值，之后铸坯在水冷作用下快速降温，最先完成凝固。可以把红外测温结果峰值出现的时间作为依次打开三组侧壁水道的时间判据。

实施例1

将组合式水冷铸模置于真空浇铸室的升降台上，抽真空至10Pa以下，用石墨坩埚将电解铜升温至1200℃，待坩埚内金属熔化后加入纯银和海绵锆，熔化温度继续升温至1300-1350℃，调整成分后得到NARloy-Z合金(Cu-3％Ag-0.5％Zr)液，降温并静置至1150-1200℃真空浇铸，随液面升高缓慢降低升降台，保证浸入水口始终在液面以下，防止合金液飞溅到内模壁。待浇铸末尾通过加料斗加入配制的熔融玻璃，随即加入配制的发热剂，最后加入覆盖剂。

上浇注开始之前5～10分钟打开进水口，使上底盘和下底盘降到较低的温度。合金液通过浸入式水口上浇入铸模本体内，上底盘内部冷却水道被阻流板隔断，提高冷却水达到12m/s左右。通过红外测温仪测量第一侧壁水道和第二侧壁水道之间的模壁温度，根据温度曲线打开第一侧壁水道，设计水速10～12m/s左右。根据红外测温逐步打开第二侧壁水道和第三侧壁水道，提高铸坯上部和冒容合金液的冷却强度，使热量绝大部分通过上底盘传导，并建立定向凝固温度场。

NARloy-Z铸锭经过固溶-时效强化后的高倍组织显示基本观察不到二次缩孔，低倍组织显示柱状晶有明显的方向，锭坯中心无明显缩松，凝固组织致密均匀。对比图4中的自然冷却锭坯，图5中本实施例的晶粒细化更加均匀，所用超声波探伤仪探头型号为2.5P20，频率2.5MHz，声强46dB，信噪比10-20％。缩孔集中在热补缩冒口上部，热补缩良好，热补缩冒口实心高度在60～70mm，最大高度80mm。NARloy-Z合金铸锭热处理后表现出优异的高温拉伸性能、抗高温高周疲劳能力和抗蠕变能力。

实施例2

将组合式水冷铸模置于真空浇铸室的升降台上，抽真空至10Pa以下，用石墨坩埚将电解铜，升温至1200℃，待坩埚内金属熔化后加入纯银和海绵锆，熔化温度继续升温至1300-1350℃，调整成分后得到Cu-Cr-Zr合金(Cu-0.65％Cr-0.1％Zr)液，降温并静置至1220-1250℃真空浇铸，随液面升高缓慢降低升降台，保证浸入水口始终在液面以下，防止合金液飞溅到内模壁。待浇铸末尾通过加料斗加入配制的熔融玻璃，随即加入配制的发热剂，最后加入覆盖剂。

上浇注开始之前5～10分钟打开进水口，使上底盘和下底盘降到较低的温度。合金液通过浸入式水口上浇入铸模本体，上底盘内部冷却水道被阻流板隔断，提高冷却水达到12m/s左右。通过红外测温仪测量第一侧壁水道和第二侧壁水道之间的模壁温度，根据温度曲线打开第一侧壁水道，设计水速10～12m/s左右，根据红外测温逐步打开第二侧壁水道32和第按侧壁水道33，提高铸坯上部和冒容合金液的冷却强度，使热量绝大部分通过上底盘传导，并建立定向凝固温度场。

如图7所示，超声检测结果表明晶粒均匀度对比自然冷却锭坯(图6)更加细化均匀。通过本实施例获得的铸锭表面和内部质量都有很大程度的提高，主要表现在：1、铸锭表面细晶区厚度增加，晶粒尺寸减小，且柱状晶生长方向性增强，锭坯中心无明显缩松，凝固组织致密均匀，所用超声波探伤仪探头型号为2.5P20，频率2.5MHz,声强46dB，信噪比10-20％；2、同状态下Cu-Cr-Zr合金抗拉强度提高了10-30MPa、断后延伸率增加10-20％、硬度和冲击韧性等性能也都有很大程度提高；3、减小了冒口部分比例，减少了铸件切头切尾率，并且通过该技术实施对延长模具寿命和提高生产效率起到关键作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。